伺服驅動進給系統鑑別探討

摘要：工具機產業在國內已經穩定發展多年，多數業者仍然是依據經驗法則來進行新產品的開發設計，再藉由不斷的測試與修正來達到要求，此種方式會花費不少時間與生產成本，因此每位製造業者都想建立起數位化分析技術來幫助他們改善產品。

在工具機的動態性能表現上，伺服進給系統的影響佔了很大一部份，而本研究著重於伺服驅動系統的鑑別，首先建立出馬達驅動器內部控制迴路的架構，以及此系統的等效轉移函數，藉由基因演算法求解出此系統轉移函數之係數後，在MATLAB Simulink中建立伺服控制之模型，並以步階響應、頻率響應及弦波追隨來驗證此模型之準確性，未來可加入傳動機構至進給系統來使機電整合模型更完整。

Abstract: Machine tool industry has developed stably in Taiwan for many years. Most of the machine tool manufacturers still develop new products independently based on their experience, and test their products numerous times to fulfill the demand. It not only wastes a lot of time, but also increases the production cost. Therefore, all manufacturers want to build a digital-dynamic analysis technology to improve their products.

Servo feeding system has an important impact on the machine tool’s dynamic characteristic. In this thesis, we focus on the identification of servo control loop. First, we make the structure of servo control loop, and get the system transfer function. The coefficients of the system transfer function can be found by Genetic algorithm solution. Then we use MATLAB Simulink software to construct the servo control model. In the end, we verified the model through step, frequency response, and sine wave experiments. In the future, we can add feeding structures to the servo control model, and develop a more complete virtual model.

關鍵詞：電腦輔助工程、伺服迴路、系統鑑別

Keywords：Computer-Aided Engineering, Servo Loop, System Identification

前言
國內工具機業者開發新產品，多數依據經驗法則來進行新產品的開發設計，再藉由不斷的測試與修正來達到要求。部份業者會用CAE有限元素軟體進行分析，然後再依分析之結果進行設計修正，但不是每次都能得到良好的成效，原因並非CAE技術不適用，而是僅利用有限元素軟體進行靜態的結構分析，沒有進行機構運動時之動態結構分析與機電整合動態特性分析所造成的，此技術不只是在國內業界中是相當缺乏的，國外能完整進行此類電腦輔助分析工程者也相當少，因其難度相當高，需整合許多資源方能執行。

由於工具機為一機電整合系統包含了機台與伺服驅動控制器，因此機電整合模擬分析除了需正確的建構機台模型外，也必須能夠正確的建構伺服驅動控制模型，本研究之目的在於利用配置有國產控制器與日系伺服驅動器的機台來建構機電整合模型。研究的重點在於建立虛擬伺服驅動器架構，日後可整合結構與電機系統分析技術，並規劃完成整合伺服驅動器與進給系統數位模型之伺服機電整合模擬。

伺服馬達控制系統
一般工具機進給系統架構如圖1所示，可大致分為伺服控制器與進給機構兩部分，機台實際運作流程是由操作者在人機介面輸入位移與速度指令，經由控制器中的插補器計算出實際移動路徑及速度，此命令進入驅動器中會依序經過位置、速度和電流控制迴路，最後使馬達輸出扭矩去推動進給機構，馬達轉子會藉由聯軸器將扭力傳給螺桿，再透過螺帽帶動工作平台移動，而主要支撐工作平台重量的則是線性滑軌，此為閉迴路控制系統，故平台負載與傳動機構造成的擾動量會經由馬達編碼器回傳給驅動器中的三層控制迴路分別做誤差補償，也可外接線性光學尺做全閉迴路的補償。